e-düzlem sektörel boynuz anten güç bölücü

E-DÜZLEM SEKTÖREL BOYNUZ ANTEN GÜÇ BÖLÜCÜ
Mustafa Seçmen, Şimşek Demir, Altunkan Hızal, Kenan Çağlar*, Eyüp Tongel*
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Elektronik Mühendisliği Bölümü
Balgat, Ankara
[email protected], [email protected], [email protected]
*ASELSAN A. Ş.
Yenimahalle, Ankara
[email protected], [email protected]
Özet: Bu bildiri anten uygulamaları için bir E-düzlem sektörel boynuz anten güç bölücüyü sunmaktadır. Güç
bölünmesi boynuz antenin açıklığındaki sektörlerin (dalgakılavuzlarının) alanları ile doğru orantılı olarak
gerçekleştirilmektedir. Bildiride 30 dB Taylor dağılımına sahip bir X Bant anten uygulaması için güç bölücü
tasarlanmıştır. Tasarım, HFSS v9.2 ile yapılan simulasyonlar ve devre analizörü ile yapılan ölçümler ile
incelenmiştir. Ölçüm ve simulasyon sonuçları teorik sonuçlarla uyum göstermiştir ve toplam güç dalga
kılavuzlarına istenilen oranlarda dağıtılmıştır. Elde edilen sonuçlarda dalga kılavuzlarının duvar kalınlıklarından
kaynaklanan çalışma bandı boyunca güç bölünme oranlarında yaklaşık 1 dB civarında bir dalgalanma
gözlemlenmiştir. Yapılan simulasyonlar ile duvar kalınlıklarını azaltarak dalgalanmaların ihmal edilebilir
seviyelere düşürülebildiği görülmüştür.
1. Giriş
Anten uygulamalarında yüksek kazanç ve dar hüzme genişliği elde etmek için anten dizileri kullanılır. İstenilen
hüzme genişliği ve yan hüzme seviyesi için elemanların uyarılma genlikleri Taylor dağılımı gibi anten dizisinin
sonlarına doğru azalan dağılımlar göstermelidir [1]-[2]. Tasarım niteliklerini sağlamak amacıyla gelen güç anten
elemanlarına hesaplanan oranlarda bölünmelidir. Yüksek güç veya dalga kılavuzu uygulamalarında, dalga kılavuzu
güç bölücüleri genelde tercih edilir [3]-[4]. Fakat bu bölücülerde tasarımın genelde karmaşık olmasının yanında
çalışma bandında aynı anda istenen güç dağılım oranları ve düşük geri dönüş kaybı elde etme konusunda da
zorluklar yaşanmaktadır.
Bu bildiride nispeten daha az karmaşık bir tasarımı olan, düşük geri dönüş kaybına sahip ve istenilen güç
oranlarında dağılım yapan bir boynuz anten güç bölücüsü tasarlanmıştır. Şekil 1’den de görüldüğü gibi bölücü
tasarımı, bir E-düzlem sektörel boynuz antenin ucuna genişlikleri aynı, boyları istenilen güç oranında ayarlanmış
çeşitli dalga kılavuzları konularak yapılmaktadır.
Şekil 1. Tasarlanan güç bölücüsünün simülasyon görünümü.
Tasarımda bölücünün toplam geri dönüş kaybı yaklaşık olarak tasarlanan antenin geri dönüş kaybına eşit
olduğundan bu kayıp kolayca çalışma bandı artırılarak -20 dB veya -25 dB gibi istenen değerlere ayarlanabilir.
E-düzlem sektörel boynuz anten tek mod içerecek şekilde tasarlandığından Şekil 1 düşünüldüğünde sadece z
doğrultusunda E alanı olan baskın mod TE10 modunun alanları anten boyunca ilerleyecektir. Bu yüzden H alanı
122
doğrultusunda (x doğrultusunda) uzanan dalga kılavuzu duvarları, önemli bir yansımaya ve geri dönüş kaybına
neden olmayacaklardır. Sonuç olarak geri dönüş kaybı düşük iyi bir anten tasarımı ile bölücünün geri dönüş kayıp
problemi halledilebilir. Bunun yanında anten açıklığında güç yoğunluğu, z doğrultusunda düzgün dağılım, x
doğrultusunda ise anten ve dalga kılavuzlarında aynı sinüssel bir dağılım gösterir. Bu yüzden bir dalga kılavuzuna
dağıtılan güç oranı, dalga kılavuzunun z yönündeki boyutunun antenin z yönündeki uzunluğuna oranı veya eşdeğer
olarak denklem (1)’deki oran ile belirlenir.
α =
Ada lg akilavuzu
(1)
Aanten
Bildiride 18 elemanlı bir dalga kılavuzu anten dizisine güç dağılımını sağlayan yüksek güç uygulamalarına uygun
bir güç bölücü yapısı tasarlanmıştır. Bölücüdeki anten ve dalga kılavuzu boyutları, 30 dB Taylor dağılımına sahip
bir uygulama için seçilmiştir. Tasarımı doğrulamak için yapı HFSS v9.2 ile simüle edilmiştir. Ayrıca yapı üretilip
HP 8757C skaler devre analizörü ile ölçülmüştür. Simülasyon ve ölçüm ile ilgili sonuçlar bir sonraki kısımda
verilecektir.
2. Tasarım, Simülasyon ve Ölçüm Sonuçları
Bölücü yapısında öncelikle açıklık boyutları 172 mm ve 22.86 mm olan bir E-düzlem sektörel boynuz anten ve
standart WR-90 besleme dalga kılavuzu tasarlanıp gerçekleştirildi. Dalga kılavuzlarının z yönündeki boyutları, 18
elemanlı X Bant 30 dB Taylor dağılımı içeren bir anten dizisinin elemanlarının uyarılma genliklerine göre
hesaplandı ve 1 mm duvar kalınlıklarını ihmal ederek Şekil 1’de yukarıdan aşağıya olacak şekilde yaklaşık sırasıyla
1.5, 2, 3, 5, 7.5, 11, 13, 16 ve 18.5 mm (diğer dokuzu simetrik) olarak bulundu. Dalga kılavuzlarının hesaplanması
ile tüm güç bölücü tasarımı üretilip ölçüldü. Simülasyon ve ölçüm sonuçlarına göre güç bölücünün geri dönüş kaybı
Şekil 2(a) ve (b)’de görülmektedir.
(a)
(b)
Şekil 2. Bölücü yapının geri dönüş kaybı (a) Simülasyon (b) Ölçüm.
Sonuçlardan da görüldüğü üzere bölücünün geri dönüş kaybı merkez frekansta, f0, yaklaşık -25 dB olup, 400-500
MHz’lik bir bant boyunca -20 dB’in altındadır ki bu seviyeler çoklu bir güç bölücü için oldukça iyi sayılır. Güç
bölünme oranları ile ilgili merkez frekansta çeşitli dalga kılavuzları için elde edilmiş teorik, simülasyon ve ölçüm
sonuçlarına ait bilgiler Tablo 1’de verilmiştir. Tablodaki dalga kılavuzu 1 Şekil 1’de en üstteki dalga kılavuzunu,
dalga kılavuzu 18 ise en alttaki dalga kılavuzunu temsil etmektedir.
Tablo I. Tasarımdaki çeşitli dalga kılavuzlarının merkez frekanstaki güç bölünme oranlarına ait teorik,
simülasyon ve ölçüm sonuçları.
Dalgakılavuzu
Teorik (dB)
Simülasyon (dB)
Ölçüm (dB)
1
-20.96
-20.58
-20.65
2
-20.07
-19.40
-19.55
5
-13.36
-13.45
-13.96
9
-9.17
-9.44
-9.58
11
-9.58
-9.90
-9.85
18
-20.96
-20.52
-20.38
123
Sonuçlardan da görüldüğü üzere tasarım için elde edilmiş simülasyon ve ölçüm sonuçları teorik sonuçlarla
uyuşmaktadır. Bununla beraber hem simülasyon hem ölçüm sonuçlarında yaklaşık 400-500 MHz’lik bant içerisinde
frekans ile güç bölünme oranlarındaki değişimlerin 1 dB civarı olduğu görülmüş ve bu değişim seviyelerinin anten
dizisinin çalışma bandında performansını olumsuz etkileyecebileceği sonucuna varılmıştır. Bu değişimlerin
kaynağının dalga kılavuzlarının duvar kalınlıkları olduğu düşünülerek bu seviyeleri düşürmek amacıyla dalga
kılavuzu duvar kalınlıklarını azaltmaya yönelik bir çalışma yapıldı. Bölücü için yapılan simülasyonlar, dalga
kılavuzu kalınlıklarının 0.5 ve 0.25 mm olduğu durumlar için tekrarlandı. Yapılan simulasyonlar sonucu bu değişim
seviyelerinin 0.5 mm kalınlık için 0.5 dB civarına, 0.25 mm kalınlık için 0.2 dB civarlarına kadar düştüğü
gözlemlendi. Örnek olarak, dalgakılavuzu 8’in 1 mm ve 0.25 mm duvar kalınlıkları durumları için elde edilmiş güç
dağılım oranlarına ait simülasyon sonuçları sırasıyla Şekil 3(a) ve (b)’de verilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 3. (a) 1 mm ve (b) 0.25 mm duvar kalınlıkları için dalgakılavuzu 8’in güç dağılım oranlarına ait simülasyon
sonuçları.
Bahsedilen güç bölücünün değişik bir versiyonu olarak kıvrımlı E-düzlem sektörel boynuz anten kullanan başka bir
güç bölücü tasarımı da incelendi. Yukarıda bahsedilen ve normal E-düzlem sektörel boynuz anten kullanan yapıda z
yönündeki E alan dağılımı düzgün olduğundan özellikle uçlardaki dalga kılavuzlarının z yönündeki boyutları
oldukça küçüktür. Bu küçük boyutlar üretim problemleri yaratabilir ve üretimden kaynaklanan hatalar da bölücü
performansını etkileyebilir. Fakat, bu değişik versiyonda anten açıklığındaki E alanın kıvrımlı antenden kaynaklanan
z yönünde de bir sinüssel değişimi (merkezde yüksek, kenarlarda düşük) vardır. Kenarlarda E alanının bir önceki
duruma göre düşük olması, aynı miktarda güce sahip olması için uçlardaki dalga kılavuzlarının toplam alanının
artırılması anlamına gelir. Böylece uçlardaki dalga kılavuzlarının z boyutları diğer dalga kılavuzlarına yakın olur ki
bu durum pratik olarak bölücüyü daha rahat üretilebilir hale getirir. Bu versiyonun bu avantajına rağmen, normal
antene göre kıvrımlı antenin tasarımının zor olması ve antenden bant boyunca -20 dB gibi düşük geri dönüş kaybı
elde etmenin zor olması gibi dezavantajları vardır. Bu versiyon ile ilgili detaylı bilgi gelecek çalışmalarda
verilecektir.
3. Vargı
Bu bildiride E-düzlem sektörel boynuz anten kullanan yeni bir yüksek güç dalga kılavuzu güç bölücü tanıtılmıştır.
Bu bölücüyü kullanan bir 18’e bölücü tasarlanıp 30 dB Taylor dağılımı uygulaması gerçekleştirilmiştir. Yapı
simülasyon ve ölçüm sonuçları ile desteklenmiştir. Düşük geri dönüş kaybı elde edilerek sonuçların teorik sonuçlara
yakın olduğu görülmüştür. Ayrıca sonuçlarda kalın dalga kılavuzu duvarlarından dolayı güç bölünme oranlarında
bant boyunca 1 dB’lik değişimler görülmüştür. Simülasyonlar ile daha ince duvarlı yapılar kullanılarak bu
değişimlerin azaltılabileceği gözlemlenmiştir. Bunun dışında bu güç bölücünün üretime daha elverişli ve daha uygun
dalga kılavuzu boyutlarına sahip başka bir versiyonundan bahsedilmiştir.
Kaynaklar
[1]. Taylor T. T., “Design of Line-Source Antennas for Narrow Beamwidth and Low Side-Lobes,” IRE Transaction
on Antennas and Propagation, Vol. AP-3, No. 1, s.16-28, Ocak 1955.
[2]. Balanis C. A., Antenna Theory: Analysis and Design. John Wiley & Sons Inc., ABD, 1997.
[3]. Arndt F., Ahrens I., Papziner U., Wiechmann U. ve Wilkeit R., “Optimized E-Plane T-Junction Series Power
Dividers,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, vol. MTT-35, No. 11, s.1052-1059, Kasım 1987.
[4]. Takeda F., Ishida O. ve Isoda Y., “Waveguide Power Divider Using Metallic Septum with Resistive Coupling
Slot,” IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, s.527-528, 1982.
124